1、四 川 理 工 学 院毕 业 设 计题 目 年产五万吨合成氨变换工段工艺初步设计 系 别 化 学 工 程 与 工 艺 专 业 无 机 化 工 011 指导教师 教研室主任 学生姓名 接受任务日期 2005 年 2 月 28 日 完成任务日期 2005 年 6 月 1 日 四 川 理 工 学 院毕 业 论 文 任 务 书材 料 与 化 学 工 程 系 无 机 化 工 专业 2001-1 班题 目 年产五万吨合成氨变换工段工艺初步设计 起迄日期 2005 年 2 月 25 日起至 2005 年 6 月 1 日止指 导 老 师 教研室主任 （签名）系 主 任 （签名）学 生 姓 名 批 准 日 期
2、2005 年 2 月 25 日接受任务日期 2005 年 2 月 25 日完成任务日期 2005 年 6 月 1 日一、设计（论文）的要求：1、说明书 包括前言，合成氨变换工段工序原理，工艺条件及工艺流程确定，以及主要设备的选择说明，对本设计的评述。 2、计算部分 包括物料衡算，热量衡算，有效能利用率计算，主要设备计算。3、图纸 带控制点的工艺流程图。二、设计（论文）的原始数据：天然气成分：以鸿化厂的实际工作数据为依据来进行。年工作日 330 天,其余数据自定。三、参考资料及说明：化工工艺设计手册 （上、下册） 、 氮肥工艺设计手册理化数据、 化肥企业产品能平衡 、 小合成氨厂工艺技术与设计手
3、册 、 合成氨工学 、化工制图 、 化工原理 、 化学工程 、 化工设计概论以及关于氮肥的其他相关杂志。目 录1. 前言42. 工艺原理43. 工艺条件54. 工艺流程的确定65. 主要设备的选择说明66. 对本设计的综述6第一章 变换工段物料及热量衡算8第一节 中变物料及热量衡算81确定转化气组成82水汽比的确定83中变炉一段催化床层的物料衡算94中变炉一段催化床层的热量衡算115中变炉催化剂平衡曲线136. 最佳温度曲线的计算147操作线计算158中间冷淋过程的物料和热量计算169中变炉二段催化床层的物料衡算 1710.中变炉二段催化床层的热量衡算18第二节 低变炉的物料与热量计算19第三
4、节 废热锅炉的热量和物料计算24第四节 主换热器的物料与热量的计算26第五节 调温水加热器的物料与热量计算28第二章 设备的计算291. 低温变换炉计算292. 中变废热锅炉31参考文献及致谢 35前 言氨是一种重要的化工产品，主要用于化学肥料的生产。合成氨生产经过多年的发展，现已发展成为一种成熟的化工生产工艺。合成氨的生产主要分为：原料气的制取；原料气的净化与合成。粗原料气中常含有大量的 C，由于 CO 是合成氨催化剂的毒物，所以必须进行净化处理，通常，先经过 CO 变换反应，使其转化为易于清除的 CO2和氨合成所需要的 H2。因此，CO 变换既是原料气的净化过程，又是原料气造气的继续。最后
5、，少量的 CO 用液氨洗涤法，或是低温变换串联甲烷化法加以脱除。变换工段是指 CO 与水蒸气反应生成二氧化碳和氢气的过程。在合成氨工艺流程中起着非常重要的作用。目前，变换工段主要采用中变串低变的工艺流程，这是从 80 年代中期发展起来的。所谓中变串低变流程，就是在 B107 等 Fe-Cr 系催化剂之后串入 Co-Mo系宽温变换催化剂。在中变串低变流程中，由于宽变催化剂的串入，操作条件发生了较大的变化。一方面入炉的蒸汽比有了较大幅度的降低；另一方面变换气中的 CO 含量也大幅度降低。由于中变后串了宽变催化剂，使操作系统的操作弹性大大增加，使变换系统便于操作，也大幅度降低了能耗。工艺原理：一氧化
6、碳变换反应式为：CO+H2O=CO2+H2+Q (1-1)CO+H2 = C+H2O (1-2) 其中反应（1）是主反应，反应（2）是副反应，为了控制反应向生成目的产物的方向进行，工业上采用对式反应（11）具有良好选择性催化剂，进而抑制其它副反应的发生。一氧化碳与水蒸气的反应是一个可逆的放热反应，反应热是温度的函数。变换过程中还包括下列反应式：H2+O2=H2O+Q 工艺条件1.压力：压力对变换反应的平衡几乎没有影响。但是提高压力将使析炭和生成甲烷等副反应易于进行。单就平衡而言，加压并无好处。但从动力学角度，加压可提高反应速率。从能量消耗上看，加压也是有利。由于干原料气摩尔数小于干变换气的摩尔
7、数，所以，先压缩原料气后再进行变换的能耗，比常压变换再进行压缩的能耗底。具体操作压力的数值，应根据中小型氨厂的特点，特别是工艺蒸汽的压力及压缩机投各段压力的合理配置而定。一般小型氨厂操作压力为 0.7-1.2MPa,中型氨厂为 1.21.8Mpa。本设计的原料气由小型合成氨厂天然气蒸汽转化而来，故压力可取 1.7MPa.1.温度：变化反应是可逆放热反应。从反应动力学的角度来看，温度升高，反应速率常 数增大对反应速率有利，但平衡常数随温度的升高而变小，即 CO 平衡含量增大，反应推动力变小，对反应速率不利，可见温度对两者的影响是相反的。因而存在着最佳反应温对一定催化剂及气相组成，从动力学角度推导
8、的计算式为Tm= 122ln1ERTe式中 Tm、Te分别为最佳反应温度及平衡温度，最佳反应温度随系统组成和催化剂的不同而变化。1 汽气比：水蒸汽比例一般指 H2O/CO 比值或水蒸汽/干原料气.改变水蒸汽比例是工业变换反应中最主要的调节手段。增加水蒸汽用量，提高了 CO 的平衡变换率，从而有利于降低 CO 残余含量，加速变换反应的进行。由于过量水蒸汽的存在，保证催化剂中活性组分 Fe3O4的稳定而不被还原，并使析炭及生成甲烷等副反应不易发生。但是，水蒸气用量是变换过程中最主要消耗指标，尽量减少其用量对过程的经济性具有重要的意义，蒸汽比例如果过高，将造成催化剂床层阻力增加；CO 停留时间缩短，
9、余热回收设备附和加重等，所以，中（高）变换时适宜的水蒸气比例一般为：H 2O/CO=35，经反应后，中变气中 H2O/CO 可达 15 以上，不必再添加蒸汽即可满足低温变换的要求。工艺流程确定目前的变化工艺有：中温变换，中串低，全低及中低低 4 种工艺。本设计参考四川省自贡市鸿鹤化工厂的生产工艺，选用中串低工艺。转化气从转化炉进入废热锅炉，在废热锅炉中变换气从 920降到 330，在废热锅炉出口加入水蒸汽使汽气比达到 3 到 5 之间，以后再进入中变炉将转换气中一氧化碳含量降到 3%以下。再通过换热器将转换气的温度降到 180左右，进入低变炉将转换气中一氧化碳含量降到 0.3%以下，再进入甲烷
10、化工段。 主要设备的选择说明中低变串联流程中，主要设备有中变炉、低变炉、废热锅炉、换热器等。低变炉选用 C6 型催化剂，计算得低变催化剂实际用量 10.59m3。以上设备的选择主要是依据所给定的合成氨系统的生产能力、原料气中碳氧化物的含量以及变换气中所要求的 CO 浓度。对本设计评述天然气变换工段工序是合成氨生产中的第一步，也是较为关键的一步，因为能否正常生产出合格的压缩气，是后面的所有工序正常运转的前提条件。因此，必须控制一定的工艺条件，使转化气的组成，满足的工艺生产的要求。在本设计中，根据已知的天然气组成，操作条件，采用了中变串低变的工艺流程路线。首先对中，低变进行了物料和热量衡算，在计算
11、的基础上，根据计算结果对主要设备选型，最终完成了本设计的宗旨。设计中一共有中温废热锅炉，中变炉，主换热器，调温水换热器，低变炉几个主要设备。由于天然气变换工段工序是成熟工艺，参考文献资料较多，在本设计中，主要参考了小合成氨厂工艺技术与设计手册和合成氨工艺学这两本书。由于时间有限，设计可能不完善，请各位老师指出。谢谢！第一章 变换工段物料及热量衡算第一节 中温变换物料衡算及热量衡算1确定转化气组成：已知条件中变炉进口气体组成：组分 CO2 CO H2 N2 CH4 O2 合计% 9.6 11.42 55.71 22.56 0.38 0.33 100计算基准：1 吨氨计算生产 1 吨氨需要的变化气
12、量：（1000/17）22.4/（222.56）=2920.31 M3(标)因为在生产过程中物量可能回有消耗，因此变化气量取 2962.5 M3(标)年产 5 万吨合成氨生产能力：日生产量：50000/330=151.52T/d=6.31T/h要求出中变炉的变换气干组分中 CO小于 2进中变炉的变换气干组分：组 分CO2CO H2 N2 O2 CH4 合计含量，9.6 11.42 55.71 22.56 0.33 0.38 100M3(标)474563.862750.681113.916.2918.7634937.5假设入中变炉气体温度为 335 摄氏度，取出炉与入炉的温差为 30 摄氏度，则
13、出炉温度为 365 摄氏度。进中变炉干气压力 =1.75Mpa.中P2水汽比的确定：考虑到是天然气蒸汽转化来的原料气，所以取 H2O/CO=3.5故 V（水） =1973.52m3(标) n(水) =88.1kmol因此进中变炉的变换气湿组分:组 分 CO2 CO H2 N2 O2 CH4 H2O 合计含量 6.86 8.16 39.8 16.12 0.24 0.27 28.56 100M3(标) 474 563.86 2750.68 1113.9 16.29 18.763 1973.52 6911.02koml 21.16 25.172 122.798 49.73 0.727 0.838 8
14、8.1 308.53中变炉 CO 的实际变换率的求取：假定湿转化气为 100mol，其中 CO 基含量为 8.16，要求变换气中 CO 含量为2，故根据变换反应：CO+H 2OH 2+CO2，则 CO 的实际变换率为：= 100=74XaY1式中 Ya、 分别为原料及变换气中 CO 的摩尔分率（湿基）aY则反应掉的 CO 的量为：8.1674=6.04则反应后的各组分的量分别为： H2O=28.56-6.04+0.48=23CO=8.16 -6.04=2.12H2 =39.8+6.04-0.48=45.36CO2=6.86+6.04=12.9中变炉出口的平衡常数：K= （H 2CO 2）/（H 2OCO）=12查小合成氨厂工艺技术与设计手册可知 K=12 时温度为 397。中变的平均温距为 397-365=32中变的平均温距合理，故取的 H2O/CO 可用。3.中变炉一段催化床层的物料衡算假设 CO 在一段催化床层的实际变换率为 60。因为进中变炉一段催化床层的变换气湿组分：组 分 CO2 CO H2 N2 O2 CH4 H2O 合计含量，6.86 8.16 39.8 16.12 0.24 0.27 28.56 100
